过渡金属氧化物BiMnO3的应力调控与多铁特性研究

Due to the associated rich physical properties and potential applications, multiferroic material becomes one of the central topics in condensed matter physics and materials science. Among all the multiferroics, BiMnO3 (BMO) emerged out at the initial stage due to it coexist ferroelectric and ferromagnetic ground states and was called the "hydrogen atom" in multiferroic studies. However, both the experimental and theoretical studies later proved that the BMO bulk possesses inversion symmetry, thus exclude it from multiferroic. Excitingly, recently a series of theoretical studies suggest that under large epitaxial strain, BMO thin film can have a significant ferroelectric polarization, and this result stimulates the research interests in this material again. Accordingly, we propose an experimental study of the epitaxial strain to engineer the multiferroic properties in BMO. The research contents cover the following aspects: growth of high-quality BMO thin film with large range of epitaxial strain, detailed study of ferroelectric properties; correlation between the intrinsic magnetism and the epitaxial strain; magnetoelectric coupling in BMO, evolution of electronic and magnetic ground state in BMO with electron and hole doping; preliminary studies of multiferroic properties in other Bi-based perovskite oxide materials. We believe that this study will shed new lights on the intrinsic functionalities of this interesting material, and might also offer possibilities for novel magnetoelectric properties and devices.

多铁材料因其丰富多彩的物理内涵以及广泛的应用前景，成为了凝聚态物理和材料科学的研究热点。在众多多铁材料中，BiMnO3 (BMO)被称为多铁体系中的"氢原子"，受到了格外青睐。近年的实验和理论研究证明BMO体相具有空间反演对称性，从而将其"踢"出多铁队列。然而，最近一系列理论研究提出，在大外延应力下，BMO存在实现显著铁电极化的可能，从而再次为该材料燃起希望。本项研究将围绕BiMnO3薄膜的应力设计、多铁物性调控和机理展开研究，将涉及以下四个核心研究内容以及两个拓展内容：高质量薄膜样品的制备和应力调控；铁电特性的细致研究；本征磁性以及其与轨道序的关联作用；外延薄膜中磁电耦合特性的研究；外延薄膜中载流子掺杂研究；Bi基钙钛矿氧化物材料应力调控的初步探索。我们相信BMO这种新型多铁性材料的深入研究将拓展对于多铁特性形成机制的理解，并有望衍生出新型磁电耦合效应和功能器件。

过渡金属氧化物中，多种自由度间的耦合关联作用赋予了其丰富多彩的量子物性，例如铁磁性、超导性、多铁性等。如何调控这些自由度之间的关联，进而设计出新型量子物性和更优功能特性成为凝聚态物理和材料科学的研究重点。本项目围绕锰酸铋的多铁性调控开展了富有成效的探索研究，实现了具有钙钛矿结构的BiMnO3材料的高质量外延生长。在此过程中，发现了一类全新的锰酸铋晶体结构，并对其晶格结构、铁电、铁磁特性进行了系统性研究。最终，在锰氧化物的丰富交换作用所形成的高温磁序和显著带隙基础上，利用Bi离子的6s孤对电子在体系中引入了铁电极化，实现了强铁电、铁磁特性共存的新型单相多铁性材料。该结果揭示了一条全新的多铁性材料的设计思路。依靠项目执行过程积累的异质外延薄膜生长和研究经验，我们还对SrRuO3、SrCoO3等氧化物材料的异质外延薄膜开展了应力调控研究。我们通过制备高质量外延薄膜，对SrCoO3和SrRuO3的磁学特性随着外延应力的演化规律开展了系统性研究，发现铁磁金属性的SrCoO3随着拉伸外延应力的调控下，显示出与前人理论预测迥异的铁磁绝缘体特性；在SrRuO3的研究中我们发现外延应力能够剧烈的调控材料的磁各项异性，从而借助贝利曲率的变化，呈现出有趣的反常霍尔效应。此外，结合异质外延薄膜的研究基础，我们还对系列功能氧化物的物性进行了离子调控研究。我们揭示了铁磁金属性的SrRuO3随着电场调控下的氢离子掺杂而呈现出铁磁金属到顺磁金属的相变规律，并提出依据该方案能够实现显著的磁电耦合特性；而在CaRuO3则发现了顺磁金属到铁磁金属的相变，此外在此过程中，材料的电子态还显示出非费米液体到费米体系的转变，从而理清Ru氧化物中电子关联效应与铁磁序的耦合关系。项目执行过程，共计发表相关学术论文16篇，这些研究工作为功能氧化物的调控研究提供了新思路；共计培养博士生5名，博士后3名，为国内功能氧化物领域的发展积蓄了力量。